CN102128686A - 红外显微测温仪 - Google Patents

Abstract

一种红外显微测温仪，属于非接触红外测温及图像处理技术领域。该仪器由信号采集部分和数据处理显示两部分构成，其中信号采集部分包括红外光学系统、光学准直系统、高速可调快门、扇形阵列红外探测器、多路模拟信号处理单元等；数据处理显示部分包括摄像头、供电模块、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块等。本发明创新性的采用了扇形阵列探测对红外辐射进行采集。扇形阵列式探测器将辐射能转换为电信号，通过对扇形阵列式探测器前端的高速快门和后端多路模拟信号处理单元的控制，实现对被测物体温度分布的显微测量，并与物体的实际图像相融合，获得被测物体的温度细微变化情况，提高了红外温度实时监测的分析效果。

Description

红外显微测温仪

技术领域

本发明属于非接触红外测温及图像处理技术领域，特别是涉及一种能够探测被测物表面中心面温度分部的显微、精细图像的红外测温仪。

背景技术

目前国内外各种红外测试仪产品功能比较简单，大多仅有测温功能；仅有少数高端红外测温仪具有图像采集功能；本发明的创新之处在于可以对物体表面中心区域进行显微、精细的温度测量和图像采集、显示，同时将采集到的红外热图与目标的彩色图像相融合显示，对采集数据进行智能分析处理，得到被测物体准确的二维温度场分布图。这类功能是同类产品所无法具备的。

发明内容

本发明提供一种红外显微测温仪，能够对被测物表面中心面温度分部进行探测从而对物体进行显微、精细的图像显示，并可以与实际图像进行可融合显示的红外显微测温仪。

为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：

一种红外显微测温仪，该仪器由信号采集部分和数据处理显示两部分构成，其中信号采集部分包括红外光学系统、光学准直系统、高速可调快门、扇形阵列红外探测器、多路模拟信号处理单元以及连接多路模拟信号处理单元与ARM数据处理控制模块之间的数据接口；其中，所述数据处理显示部分包括摄像头、显示器、供电模块、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块以及连接并控制该所述摄像头、供电模块、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块的接口。

所述的红外显微测温仪按照光路前后顺序依次为红外光学系统、高速可调快门、扇形阵列红外探测器，光学准直系统位于扇形阵列红外探测器正上方，扇形阵列红外探测器的每一片扇形阵元单独与一路模拟信号处理单元通过导线相连接，所有多路模拟信号处理单元采集处理的信号通过数据接口以数据总线的模式连接到ARM数据处理控制模块，ARM数据处理控制模块分别通过单独的数据控制线连接摄像头、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块，供电模块导线同时为ARM数据处理控制模块、高速可调快门供电，ARM数据处理控制模块通过内部电压调节器调节接收到的供电模块电压，通过导线为多路模拟信号处理单元供电。

所述的扇形阵列红外探测器为用高性能扇形阵列化的多晶硅材料近红外探测器。

所述的扇形阵列红外探测器与高速可调快门、多路模拟信号处理单元共同配合实现对被测物体表面的红外辐射进行红外显微测温。

所述的高速可调快门受ARM数据处理控制模块控制快门关闭速度实现对物体红外显微测温的放大倍数和精细度的可调节性。

所述高速可调快门、ARM数据处理控制模块共同由供电模块提供工作电源。

所述多路模拟信号处理单元与扇形阵列红外探测器实现单路模拟信号处理单元与扇形探测单阵元一一相连，每一个扇形探测阵元单独使用一路拟信号处理单元。

摄像头拍摄的可见光图像通过像融合软件模块的软件处理实现与物体的二维整体温度分布相融合，并进行辐射率修正，提高测温的精度。

所述的图像融合软件模块由所述的ARM数据处理控制模块控制并处理相关数据，实现红外显微热图与物体真实的彩色图像的融合。

在本发明中，扇形阵列红外探测器采集被测对象表面二维的温度场，通过多路信号处理单元将采集到的热辐射数据进行转换，经过ARM数据处理控制模块的数据处理，将处理后的温度数据在显示屏中显示，同时ARM数据处理控制模块启动摄像头对实际物体进行彩色图像拍摄；拍摄后得到的图像数据传输到ARM数据处理控制模块利用图像融合软件模块处理将物体的实际图像与测得的物体表面温度相拟合，输出到显示器当中。用户可以对融合图像进行选择放大，图像中心的温度分布放大倍数和精细度通过ARM数据处理控制模块控制。

本发明使用的探测器结构设计方法改变了以往传统的点阵列或者面阵列的设计结构，创新性的采用了扇形阵列探测对红外辐射进行采集。通过高速快门和高速数据采集处理系统的配合以实现更高的图像像素数、精细度、准确度的图像输出。扇形阵列式探测器将辐射能转换为电信号，设备运行时利用C语言编程实现对阵列红外测温仪的系统控制，最终得到被测物体显微温度分布，并与物体的实际图像相融合，从而获得被测物体细微的温度变化情况，大大提高了红外温度实时监测的分析效果。

附图说明

图1为本发明所述红外显微测温仪的原理框图。

具体实施方式

实施例1

本实施例所述红外显微测温仪采用了高性能阵列化的多晶硅材料探测器，可以测量物体表面的二维温度场，扇形阵列红外探测器通过高速快门的高速扫描结合数据的高速采样实现了对透镜中央辐射量的高放大倍数高精细度的辐射量采集，且结合图像同步采集技术、可视化图像融合技术、嵌入式智能分析技术，从而使得用户可以在第一时间了解被测物体表面细微的温度变化。

如图1中所示，本实施例所述的红外显微测温仪分为信号采集部分20和数据处理显示10两大部分，其中信号采集部分20包括红外光学系统200、光学准直系统201、高速可调快门202、扇形阵列红外探测器203、多路模拟信号处理单元204以及连接多路模拟信号处理单元与ARM数据处理控制模块之间的数据接口205；所述红外光学系统200用于滤除可见光的干扰，所述的光学准直系统201用以确定探测中心(热像放大中心区域)，所述扇形阵列红外探测器203为用以探测目标物的表面二维温度；所述数据接口108为用以将控ARM数据处理控制模块10中的供电模块103提供的工作电压传递给多路模拟信号处理单元204，同时将多路模拟信号处理单元204数据传递给ARM数据处理控制模块10。所述的高速可调快门202可以在ARM数据处理控制模块109的控制下，调节多路模拟信号处理单元204对扇形阵列红外探测器203的扫描速度，实现对被测物体表面中心图像的放大和精细度的控制。

所述数据处理显示部分10包括环境温度测量模块101、存储模块102、供电模块103、温度报警模块104、摄像头105、图像融合软件模块106、显示器107、按键模块108、ARM数据处理控制模块109以及连接并控制该所述摄像头、供电模块、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块的接口；所述摄像头105用以对目标物进行图像拍摄；所述环境温度测量模块101用以对目标物环境温度进行测量；所述图像融合软件模块106用以读取目标物表面二维温度分布并与物体的实际彩色图像相融合，所述温度报警模块104用来当目标温度高于所设定的阈值时启动报警模块，所述按键模块108可以很方便的对该红外显微测温仪进行调试，所述供电模块103为数据处理显示部分10和信号采集部分20供电；所述存储模块102用以存储用户每次采集的原始数据和图像融合后的融合图像。

图1所示，在本实施例中，所述红外显微测温仪是通过扇形阵列红外探测器203采集红外光学系统200所收集到的红外辐射量，在ARM数据处理控制模块109可以精确控制高速可调快门202的关闭速度，与多路信号处理单元204对扇形阵列红外探测器203高速采样、处理将得到从四周到中心越来越高的精细度图像和像素数，在对采集到的温度数据进行转换的同时，所述数据处理显示部分10在ARM数据处理控制模块109的控制下启动摄像头105对目标的图像进行拍摄，传输到ARM数据处理控制模块109中，并通过图像融合软件模块106将目标的表面二维温度分布场与目标的实际图像相融合后于显示器107中显示出来。从而实现了对目标物的温度以及图像的同时采集显示。

所述扇形阵列红外探测器201采用离子注入的技术，在N型单晶硅片上通过离子注入技术注入硼离子实现P型掺杂，形成阵列式PN结，将PN结之外区域沉积上Si3N4绝缘介质膜，通过该种方法制作圆形探测片，采用光刻技术以圆形探测片的圆心为中心，在圆周上每(1至0.2)度延半径方向进行光刻，这样共形成360至1200个单片扇形探测片组成的阵列，在每片扇形探测片的外圆周边缘进行导电处理，这便是扇形阵列红外探测器的主要部分。

所述多路模拟信号处理单元204主要分为微弱电信号的放大、A/D转换、数字信号处理、数据的显示。在电路设计中，首先要保证有足够大的增益，使得微弱信号变为能够被ADC采集的信号，同时要尽量抑制电路中产生的噪声，并保证多路放大链路的一致性。同时选用AD7656作为A/D转化的核心部件。AD7565内部具有6个采样保持器和6路独立的AD转换器，从而可以实现对6路模拟信号同时采集并同时转换为数字信号。AD7565的最高分辨率为16位，已满足温度测量的精度。其采样率最高为250kSPS，即每秒钟采样250000次，也超出了系统对采样率的要求。故AD7565能够完全胜任作为本测温仪的模数转换器。

当被测物的红外辐射经过光学镜头被扇形阵列红外探测器收集到，在没有高速快门202的情况下经过ARM数据处理控制模块109的数据处理只能得到一个温度值的数据圈，在高速快门202和多路信号处理单元204的配合下，经过数据处理将得到一圈圈的从外向内逐渐致密的数据环，该数据环的中心的像素数极高并非可以通过传统方法——降低单个阵元面积、提高单位面积阵元数所能达到的，数据环的中心的像素数由扇形阵列数与快门关闭速度、数据采样速度共同决定，在扇形阵列数一定的情况下，快门关闭速度和数据采样速度越快，得到的像素数越高，两者成线性关系，可见在高速快门和数据高采样率的共同作用下可以实现对物体的显微红外探测。

所述ARM数据处理控制模块109选用的ARM9处理器最高运行频率为400MHz，具有较大的内存和丰富的外围接口，并将采用WinCE嵌入式操作系统，此系统的界面和Windows较为类似，易于被用户接受。此系统的稳定性较高，并且通过一些自检和报警机制，可以保障测温仪长时间连续稳定工作。我们将在此系统的平台上编写相应的应用程序，来控制测温仪的工作。

所述显示器107用于显示最终处理结果。在WinCE的操作系统之上，编写符合测温仪功能的人性化操作界面，此界面具有显示直观、操作简便的特点。同时结合如前所述的图像融合技术将被测目标的表面温度和实际照片融合后的图像在显示器107中显示出来。

Claims (9)

1.一种红外显微测温仪，其特征在于，该仪器由信号采集部分和数据处理显示两部分构成，其中信号采集部分包括红外光学系统、光学准直系统、高速可调快门、扇形阵列红外探测器、多路模拟信号处理单元以及连接多路模拟信号处理单元与ARM数据处理控制模块之间的数据接口；其中，所述数据处理显示部分包括摄像头、显示器、供电模块、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块以及连接并控制该所述摄像头、供电模块、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块的接口。

2.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述的红外显微测温仪按照光路前后顺序依次为红外光学系统、高速可调快门、扇形阵列红外探测器，光学准直系统位于扇形阵列红外探测器正上方，扇形阵列红外探测器的每一片扇形阵元单独与一路模拟信号处理单元通过导线相连接，所有多路模拟信号处理单元采集、处理的信号通过数据接口以数据总线的模式连接到ARM数据处理控制模块，ARM数据处理控制模块分别通过单独的数据控制线连接摄像头、存储模块、环境温度测量模块、图像融合软件模块，供电模块导线同时为ARM数据处理控制模块、高速可调快门供电，ARM数据处理控制模块通过内部电压调节器调节接收到的供电模块电压，通过导线为多路模拟信号处理单元供电。

3.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述的扇形阵列红外探测器为用高性能扇形阵列化的多晶硅材料近红外探测器。

4.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述的扇形阵列红外探测器与高速可调快门、多路模拟信号处理单元共同配合实现对被测物体表面的红外辐射进行红外显微测温。

5.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述的高速可调快门受ARM数据处理控制模块控制快门关闭速度实现对物体红外显微测温的放大倍数和精细度的可调节性。

6.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述高速可调快门、ARM数据处理控制模块共同由供电模块提供工作电源。

7.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述多路模拟信号处理单元与的扇形阵列红外探测器实现单路模拟信号处理单元与扇形探测单阵元一一相连，每一个扇形探测阵元单独使用一路拟信号处理单元。

8.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，摄像头拍摄的可见光图像通过像融合软件模块的软件处理实现与物体的二维整体温度分布相融合，并进行辐射率修正，提高测温的精度。

9.根据权利要求1所述的红外显微测温仪，其特征在于，所述的图像融合软件模块由所述的ARM数据处理控制模块控制并处理相关数据，实现红外显微热图与物体真实的彩色图像的融合。

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